DE3201620C2

DE3201620C2 - Verfahren zum Erzeugen einer Folge stabiler Laserausgangsimpulse eines gütegeschalteten Lasers

Info

Publication number: DE3201620C2
Application number: DE3201620A
Authority: DE
Inventors: Michael S. Mauck; William S. Portland Oreg. Neeland
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 1981-04-16
Filing date: 1982-01-20
Publication date: 1984-02-16
Also published as: GB2098387A; US4412330A; CA1177523A; JPS57178392A; DK149677C; DK168482A; HK22985A; GB2098387B; CH647103A5; SE452224B; FR2504321A1; SE8202353L; SG89284G; DE3201620A1; JPS5910079B2; FR2504321B1; DK149677B; NO821214L

Abstract

Die Steuerimpulse eines gütegeschalteten Lasers mit akustooptischem Güteschalter werden elektrisch mit der Phase des den Güteschalter treibenden HF-Signals synchronisiert, indem die Ausgangssignale des HF-Oszillators an den Takt eingang eines D-Flipflop-IC geführt werden und die Lasersteuerimpulse an den D-Eingang des Flipflops geführt werden, wodurch die Vorderflanke jedes Ausgangssteuerimpulses aus dem Flipflop immer an einer bestimmten Stelle der HF-Wellenform auftritt. Bei einer anderen Ausführung werden die HF-Signale mit der Phase der Steuerimpulse synchronisiert, indem der Ausgang eines Folgefrequenzoszillators an den HF-Oszillator geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Folge stabiler Laserausgaiigsimpulse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. wie es aus der DE-OS 28 19 206 bekannt ist.

Die DE-OS 28 19 206 beschreibt ein Lasergerät bei dem jeweils der erste Impuls einer Folge von Laserimpulsen dadurch vermindert werden soll, daß die Steuerung des <?-Schalte:·* dera.. modifiziert wird, daß dieser nicht vollständig ef.iaktiviert wird, und daß die ihm zugeführte Ansteuerungsenei Je langsam verringert wird. Zu diesem Zweck sind in der Betriebsschaltung des Q-Schalters ein Anstiegszeitbegrenzer und ein Amplitudenbegrenzer vorgesehen, die eine spezielle Modulationshüllkurve für den Betrieb des piezoelektrischen Treibers für den HF-Oszillator des <?· Schalters erzeugen. Bei dieser Betriebsart sind die Amplituden der ersten Laserimpulse einer Folge sehr stark verschieden, was sich sehr nachteilig auf zu bearbeitende Werkstücke auswirken kann.

Gemäß der älteren DE-OS 31 12 284 wird dieses Verfahren dadurch verbessert, daß sowohl der Anrcgungspegel vermindert als auch im gleichen Zeitraum das Auftastsignal völlig unterdrückt wird. Die Verminderung des Anregungspegels bewirkt eine Herabsetzung der im Laser gespeicherten Energie auf einen Pegel, der nicht größer ist als der, der sich normalerweise bei normalem Betrieb dann einstellt.

Aus der DE-AS 21 31 615 ist bekannt, daß es bei der Erzeugung stabiler Laserimpulse mit hoher Pulsfolgefrequenz unter Verwendung eines Phasenmodulators darauf ankommt, mit Hilfe eines Phasenschiebers die für den Modulator günstigste Phase einzustellen.

Bei den beschriebenen, bekannten Lasern mit Güteschalter trägt der Unterschied zwischen der Modulation des Laserstrahls durch unterschiedlich abklingende HF-Signale zu der Instabilität eines bestimmten Teils der Laserausgangsleistung bei, und der Betrag dieser Instabilität hängt von der Steuerfolgefrequenz ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Instabilitäten auszuschalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei wahlweise die Steuerimpulse mit der Phase der HF-Signale oder umgekehrt synchronisiert werden können.

Es werden reproduzierbare Ausgangsleistungen auch bei Änderung der Steuerfolgefrequenz erzielt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

ίο Ausführungsbeispiele der Erfindung we.-den im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen erläutert.

F i g. I ist ein elektrisches Blockschaltbild, an dem ein als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenes Verfahren gezeigt wird;

Fig.2 zeigt in graphischer Darstellung eine Folge von elektrischen Wellenformen elektrischer Signale und Laser-Ausgangsgrößen zur Erläuterung der Arbeitsweise eines üblichen, akustooptisch gesteuerten Lasers mit Güteschalter:

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung einer Mehrzahl von elektrischen Wellenformen mit einer Wellenform nach Fig.2 bei gedehnter Zeitskala und zeigt die Art und Weise, in der die Synchronisierung bei dem Verfahren nach F i g. 1 vorgenommen wird;

Fig.4 ist ein schematisch gehaltener Ausschnitt aus einem gegenüber der Ausführung nach F i g. 1 abgeänderten Blockschaltbild für ein abgewandeltes Verfahren als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

ίο Fig. 1 zeigt zur Erläuterung des Aufbaus eines akustooptischen gütegeschalteten Lasers in schematischer Darstellung. Danach ist ein länglicher Nd-YAG-Stab IO in einem Wärmeaustauscher 12 angeordnet, durch den mit Hilfe einer Pumpe 14 und der

H Verbindungsleitungen 16 und 18 eine Kühlflüssigkeit getrieben wird. Ein zweiter Wärmeaustauscher 20 umgibt einen Teil der aufwärts führenden Leitung 18 und kühlt die darin fließende Flüssigkeit, bevor sie in den Wärmeaustauscher 12 zurückkehrt. Der zweite Wärme-

■40 austauscher 20 wird üblicherweise mit Leitungswasser gekühlt.

Die Enden des Laserstabes 10 sind so angeordnet, daß die Längsachse des Stabes sich unbehindert zwischen Spiegeln 22 und 24 erstreckt, die sich entfernt von den einander abgewandten Enden des Stabes befinden.

Der Laser besitzt außerdem eine kontinuierlich gepumpte Lichtquelle. Für den gezeichneten Nd-YAG-Stab ist als Lichtquelle eine Krypton-Entladungslampe 26 vorgesehen, die an einer Gleichstromquelle 28 liegt.

■>o Ein akusiooptisr.her Güteschalter 30 liegt zwischen dem Spiegel 24 und dem ihm gegenüberstehenden Ende des Stabes 10. Der Güteschalter wird mit Hilfe von Steuerimpulsen P in einer vorbestimmten Folgefrequenz gesteuert; die Steuerimpulse werden von einem Folgefrequenz-Oszillator 32 erzeugt und auf ein Folgefrequenz-Tor 34 gegeben, das ein Tursignal G von einer Torsignalquelle 36 empfängt. Die Steuerimpulse P werden normalerweise einem Hochfrequenztor 38 zugeführt, das ein HF-Signal von einem HF-Oszillator

et) 40 empfängt. Die Steuerimpulse P unterbrechen das HF-Signal, das zu einem Verstärker 42 und von dort zu dem Güteschalter 30 läuft. Während dieser Unterbrechungszeit wird der Laserausgangsimpuls aufgebaut und von dem Laser abgegeben.

b5 Bei dem beschriebenen Verfahren wird die Laserausgangsleistung aus dem gütegeschalteten Laser besonders gut stabilisiert, indem das Steuersignal des Güteschalters und die Phase des den Güteschalter

treibenden HF-Signals elektrisch synchronisiert werden. Durch Verriegeln des Torsignals mit irgendeiner bestimmten Phase des HF-Signals werden stabilere Güteschalierausgangsimpulse erzeugt, weil die abklingende Hüllkurve des HF-Signals, wenn dieses von dem Steuersignal abgeschaltet wird, den Beginn der Laserleistung moduliert, wenn diese sich in dem Laserresonator aufbaut. Der Unterschied zwischen der Modulation des Laserstrahls durch unterschiedliches Abklingen von HF-Signalen trä^t zu einem Teil zu der Instabilität der Laf.erausgangsgröße bei. Wird das Steuersignal an einer willkürlichen Stelle an dem HF-Signal mit beliebiger festliegender Phase verriegelt, so wird erreicht, daß die aufeinanderfolgenden abklingenden HF-Hüllkurven gleichartig sind und zu gleichmäßiger Modulation der Laserausgangsimpulse führt.

Nach F i g. I der Zeichnung erfolgt die Synchronisierung des Güteschalter-Steuersignals mit der Phase des HF-Signals durch Einschalten einer Synchronisiereinrichtung 44 zwischen das Folgefrequenztor 34 und das HF-Tor 38; die Synchronisiereinrichtung 44 führt den Ausgang des Föigefrequenziors 34 mit dem HFOsziüator 40 funktionsmäßig zusammen, um die La^rsteuerimpulse mit der Phase der HF-Signale zu synchronisieren.

Die Synchronisiereinrichtung 44 kann insbesondere aus einem D-Flipflop-IC bestehen. Die Ausgangsimpulse P des Folgefrequenztors 34 werden auf den D-Eingang des Flipflops 44 gegeben; der HF-Ausgang des Oszillators 40 wird an den Takteingang des Flipflops gelegt, und der Ausgang des Flipflops wird an den Eingang des H F-Tors 38 gelegt.

In Fig.3 ist einer der Impulse P der Deutlichkeit halber über einer gedehnten Zeitskala in Verbindung mit einem Sinuswellenausgang aus dem HF-Oszillator gezeichnet. Natürlich kann der HF-Oszillator einen Rechteckausgang oder eine andere Art periodischer Wellenform haben. In jedem Falle wird dieser Oszillatorausgang an den Takteingang des Flipflops geführt, wodurch dieser die Impulse P so taktet oder synchronisier^, daß die Vorderflanke und die Hinterflanke der Impulse P'immer an einer bestimmten Stelle der gezeichneten Sinuswelle auftreten.

Wenn die hintere Flanke des Impulses P nicht mit dem willkürlichen Phasensynchronisierungspunkt 46 auf der Sinuswelle ausgerichtet ist, erzeugt das nächste Taktsignal die hintere Flanke des Impulses P'. Die Länge der Impulse P und P' kann also im Vergleich zueinander gleich, kürzer oder langer sein.

Wichtig ist aber die Synchronisierung der Vorderflanke des Impulses P, weil die Vorderflanke mit dem Laserausgangsimpuls L verknüpft ist.

Die oben beschriebene Synchronisierungseinrichtung in hat den Vorteil, daß, wenn die Steuerfolgefrequenz variiert wird, um gütegeschaltete Laserausgangsimpulse mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen, eine reproduzierbare Ausgangsgröße erreicht wird. Das liegt daran, daß die Ausgangsimpulse bei unterschiedlicher ι ^r, Frequenz unterschiedliche Zeit für ihren Aufbau und für den Austritt aus dem Laser erfordern. Obwohl die Laserimpulse für unterschiedliche Folgefrequenz von unterschiedlichen Teilen der Hüllkurve der abklingenden Hochfrequenz moduliert werden, werden somit aufeinanderfolgende impulse bei jeder Folgefrequenz von gleichen Teilen der Hüllkurve ^!er abklingenden Hochfrequenz moduliert.

Wenn keine Synchronisierung angewandt wird, hängt das Ausmaß der Instabilität von der Frequenz ab. is Entsprechend wird unterschiedliche Instabilität Qurch sich ändernde Eingangsleistung, Resonatorausrichtung oder sonstige Einflüsse hervorgerufen, die die Aufbauzeit des Laserimpulses modulieren.

Bei der in Fig.4 gezeichneten Ausführung wird die jo Synchronisierung der Lasersteuerimpulfe mit der Phase des HF-Signals dadurch erreicht, daß ein HF-Oszillator 40' von einer Ableitung des Steuersignals P synchronisiert wird. Nach der Zeichnung wird das dadurch erreicht, daß ein HF-Oszillator von den Ausgangssignaj-, iien des Folgefrequenzoszillators 32 gesteuert wird. Auf diese Weise wird das HF-Signal mit der Phase der Lasersteuerimpulse P synchronisiert. Diese Anordnung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Lasersteuerimpulse mit fester Frequenz aufeinanderfolgen.
Die Verfahren und Schaltungen sind vorstehend im Zusammenhang mit einem akustooptisch gütegeschalteten I iser beschrieben worden, die Erfindung läßt sich aber auch bei elektrooptisch gütegeschalteten Lasern anwenden, die zur H F-Anregung modifiziert .sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen einer Folge stabiler Laserausgangsimpulse eines gütegeschalteten Lasers, bei dem ein zu dem Güteschalter gehendes HF-Signal von den einzelnen Laserausgangsimpulsen entsprechenden Steuerimpulsen eines Folgefrequenzoszillators periodisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (P) des Folgefrequenzoszillators (32) und die Phase der H F-Signale synchronisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (P) dem Eingang eines Flipflops (44), die HF-Signale dem Takteingang des Flipflops (44) und der Ausgang des Flipflops (44) dem Eingang eines HF-Tors (38) zugeführt werden, dessen Ausgang dem Güteschalter (30) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung erfolgt, indem eine Ableiiung der Steuerimpulse dem Eingang der HF-Signai-Quelle (40') zugeführt wird.